一种实验室用开关电源的设计与调试

李红岩， 杜京义

(西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054)



一种实验室用开关电源的设计与调试

李红岩， 杜京义

(西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054)

设计了一种基于电子变压器的高效率低成本实验室电源。该电源有四路输出，前三路固定输出，分别为36、15、5 V；另一路输出电源从0～30 V连续可调。电路采用具有双反馈控制环的BUCK型变换器来保证输出电压和电流的连续可调。该变换器的主电路采用L4960作为控制芯片；利用电阻采样法和差动放大器、比较器原理设计了采样电路、反馈控制电路。为了进一步降低负载调整率和输出纹波，设计了恒流放电负载和低压差动态滤波器。实测数据表明，该实验室电源的功率因数达到0.95以上，效率达到80%以上，输出电压纹波仅为10 mV。

实验室电源； 反馈； 电子变压器； 滤波器

0 引 言

实验室电源，即实验室用具有固定输出和可调输出的直流稳压电源[1]。由于在科研和实验过程中，实验室电源需要面临复杂多变的环境，比如：过流、短路、突然断电或者温度过高等，所以实验室电源并不同于传统的直流稳压电源，它对电源调整率、负载调整率、电压纹波、抗过载能力等均具有一定的要求。另外，它的输出电压和保护电流通常需要在一定范围内连续可调，再加上许多学生电路基础知识薄弱,对电源、器件和仪表的电气特性缺乏了解，加上普遍动手能力不强，因此实验过程中，电路设计不合理、接线错误、电源调节不当等情况时有发生[2]。经常出现短路、过压、过流等现象。而实验室使用的直流电源通常是通用的可调稳压电源，其价格高、功能强、操作复杂，但对外电路的保护功能较弱，因此在实验中经常会出现二极管烧坏、电流表指针无法恢复等现象[3-4]。本文设计了一种简单实用的，具有短路、过电压、过电流保护功能的实验电源。

1 开关电源的总体设计

实验室电源指标：输入90～245 VAC，输出5 V/1.5 A、15 V/1.2 A、36 V/1 A，可调输出0～30/0～3 A。

为了满足实验室电源对效率、体积、质量等各项技术指标的要求，通过对比线性电源与开关电源的优缺点，最终设计选择了使用开关电源设计方案。该方案的的结构框图如图1所示。

图1 开关电源设计方案结构框图

其工作原理为：220 V工频交流电经过Boost型有源功率因数校正(APFC)电路，得到400 V的直流电压。400 V的直流电压经过桥式电子变换器，得到±200 V的高频交流方波电压。高频交流方波电压经过高频变压器由初级侧耦合到次级侧。然后再经过整流滤波电路，得到稳定的36、15和5 V输出电压。其中，36 V输出分两路,一路通过光耦反馈给APFC电路；另一路作为下一级变换器的输入；15 V输出为运放提供工作电压；5 V输出也分为两路，一路为固定输出，也为单片机和显示电路供电；另一路则为基准源。36 V直流电压经过带有电压和电流双反馈环的BUCK型电子变换器，得到0～30 V连续可调的直流输出电压，保护电流也可在0～3 A任意设置。其中，输出采样电压与0～5 V连续可调的参考电压比较，得到的误差放大信号经过反馈来控制BUCK型变换器，以实现输出电压连续可调；输出釆样电流与连续可调的0～5 A参考电流比较，得到的误差放大信号反馈控制BUCK型变换器，以实现保护电流连续可调[5]。电压、电流及过流釆样信号经过调理电路处理后传送至单片机，实现实时显示。

2 系统硬件电路设计

2.1 IR2155芯片

本设计使用了一种基于IR2155的电子变压器设计方案，该方案利用一个简单的8引脚芯片实现了其他的两个芯片组合才能完成的功能，简化了电路结构，增加了所设计电子变压器的可靠性。IR2155内部采用了浮动通道设计，具有自举方式工作和欠压锁定等功能，通常应用于开关电源、电机驱动器和荧光灯交流电子镇流器中[5-6]。IR2155的内部原理图如图2所示。

图2 IR2155的内部原理图

由图2可知，RT和CT分别为外接定时电阻和电容的引脚，可根据下式来确定电路的工作频率；内部的2个欠压检测电路将控制死区时间电路和CT端，一旦发生欠压，可以使端CT下拉，从而使高、低端都无电压输出。

内部电路分为高端通道和低端通道。其中，VCC是低端和逻辑固定供电引脚，COM为低端返回引脚，两引脚内接有一个15.6 V的稳压管，可通过外接RC降压电路为其供电；VB为高端浮动供电引脚，VS为高端浮动供电返回引脚，两引脚之间可外接一个电容，通过自举二极管由VCC为其供电；HO和LO分别为高、低端门驱动输出引脚，工作时轮流导通，可用于驱动两个功率MOSFET或IGBT。此外，芯片内部还集成有死区时间控制电路，目的是避免外接的两只开关管同时导通，其中，死区时间Td=1.2 μs，HO和LO端输出电压的占空比相等，即：

2.2 桥式电子变压器的设计

设计的基于IR2155的桥式电子变压器如图3所示。

由图3可以看出，400 V直流电压通过电阻R1为电容C3充电，由于受IR2155内部稳压管的电压钳位，

图3 基于IR2155的桥式变压器原理图

C3两端的电压会稳定在15 V左右，从而为芯片提供正常的工作电压。但是最后实验发现，当重载时VCC端电压会降至9 V以下，从而导致IR2155进入欠压锁定状态，所以设计中又添加了一个副绕组为其提供稳定的15 V电压。二极管D1和电容C5构成自举电路，为高端浮置通道提供电压。HO和LO端分别通过一个限流电阻来驱动开关管Q1和Q2轮流导通。由于在桥式电路中，对开关管的最大允许电流要求较高，另外考虑到开关管关断时要承受400 V左右的高压，因此本设计中选取了最大允许电流8 A，耐压值500 V的场效应管IRF840。

根据电子变压器的特性可知，当变压器的工作频率提高时，其体积和重量会成反比例减小，但是带来的负面效应是变压器绕组的损耗增大，效率降低，对磁芯和绕组的材质要求也会提高。所以设计中进行了折中考虑，频率选择为70 kHz左右[7-9]。若C4选择的1nF瓷片电容，则可计算出R2的阻值为10 kΩ。

高频变压器的设计主要包括磁芯的选取和绕组距数的确定。这里设计的变压器为额定初级电感量214 μH，估计气隙0.41 mm。选取ETD29/16/10型号骨架。变压器的磁芯材料选取猛锌铁氧体，其饱和磁通密度Bs为0.3～0.5 T，剩余磁通密度Br=0.1 T，所以可确定工作磁通密度Bw=0.15 T。绕组匝数与绕线方式如图4所示。

图4 高频变压器的匝数及绕线方式图

2.3 基于L4960的BUCK型变换器主电路

由于L4960内部集成了功率输出级，所以外部不需要再添加开关管，整体电路非常简单，即为典型的BUCK型开关电源拓扑结构[10-12]。该主电路图不包括电压和电流反馈环，其中FB-V为输出电压反馈控制端口，CTR为保护电流反馈控制端口。基于L4960设计的BUCK型变换器的主电路图如图5所示。D1作为续流二极管，其正向导通压降越小越好，反向恢复时间越短越好，故设计中选取的是肖特基二极管SR2100。

图5 基于L4960设计的BUCK型变换器主电路图

2.4 输出电流和输出电压采样电路的设计

在图6中，采样电阻Rs放置于低压侧，电路可直接通过运放构成的差动放大器采样出Rs上的压降[13-14]。另外，经过实际测试，运放LM324在输入电压小于10 mV时，放大特性存在非线性，故需要额外为其提供一定的输入电压UC1，造成的误差可通过单片机进行校正。

图6 低压端电流釆样电路图

2.5 输出电压反馈调节电路的设计

基于比较器原理设计了一种电压反馈调节电路[11]，如图7所示。图7中，U1D构成了比较放大器，其正向端的输入电压为US-V，负向端的输入电压为可调参考电压UCH1-V，输出电压为UFB-V，其中，UFB-V将反馈给L4960的FB端，用于控制其内部的功率输出级导通或关断，从而控制输出电压。为了避免电位器的阻值影响比较放大器的阻抗匹配，所以在电位器输出端和比较放大器的负向输入端之间增设了一个跟随器U1C。为了克服输出电压难以从0 V起调的问题，为比较放大器额外提供了一个基准电压UC2=5 V[15]。

图7 电压反馈调节电路电路图

3 实验室电源样机的调试

通过对电子变压器的功能、稳压特性和整机的输入与输出电压范围、可调保护电流范围、短路保护功能、电压调整率、负载调整率、转换效率、纹波电压、体积、重量等各项技术指标进行了综合测试，并对样机的制作成本进行了估算。实际测试数据表明，设计的基于电子变压器的实验室电源具有宽电压输入范围；输出电压与保护电流连续可调；短路保护以及高功率因数等特性，并且，相对于传统的实验室电源降低了电压调整率、负载调整率和成本，减小了体积和质量，达到了预期的设计要求。

需要注意的问题有：

(1)输入整流部分：采用二极管整流，输入电流最大值0.3 A，选取额定电流2 A的整流桥，输出滤波电容按选3 μF/W取，取值为220 μF。由于输入滤波电容较大，为了防止上电一瞬间冲击电流过大，输入接10 Ω热敏电阻限流。

(2) MOS管钳位：为了防止MOS管因为过压击穿，使用TVS、R、C、VD式钳位电路，TVS选取180 V瞬态抑制二极管，使钳位电压钳位在175 V。钳位电阻取3个33 kΩ并联，估计钳位损耗3 W。

(3)主控制器件：启动欠压过压保护，选取保护电阻为4 MΩ，取两个2 MΩ电阻串联。启动过流保护，限流值2.7 A，取限流电阻7.15 kΩ。反馈采用TL431+光耦配合进行隔离反馈。

(4)每路可分别达到满载值，但考虑交叉负载调整性，在副输出(15 V、27 V)电流同时或总共较大时禁止主输出5 V带载。此时若想使用5 V，可由可调路输出。可调路与27 V占用同一通道，即这两路同时最大输出电流总计1 A，可调路单独输出最大0.8 A。若5 V输出较大电流时副输出会飘高，但已被限制在安全值，故不可使5 V过功率运行。系统有过热保护，当系统过热时会关闭输出。若想使用大功率长时间输出，需加强散热。

所设计的实验室开关电源实物图如图8所示。

图8 实验室开关电源实物图

4 结 语

本文主要设计了一种基于电子变压器的高效率低成本的实验室用开关电源。该电源有四路输出：一路固定输出36 V，一路固定输出15 V，一路固定输出5 V，一路输出电源从0～30 V连续可调。电路采用具有双反馈控制环的BUCK型变换器来保证输出电压和电流的连续可调。该变换器的主电路采用L4960作为控制芯片；利用电阻采样法和差动放大器、比较器原理设计了采样电路、反馈控制电路。为了进一步降低负载调整率和输出纹波，设计了恒流放电负载和低压差动态滤波器。实测数据表明，基于电子变压器设计的实验室电源的功率因数达到了0.95以上，效率达到80%以上，输出电压纹波仅为10 mV,相比于传统实验室电源大大减小了体积和重量，降低了成本。

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Design and Debugging of Switching Power Supply for Laboratory

LIHong-yan，DUJing-yi

(College of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054, China)

A high efficiency and low cost laboratory power supply is designed based on electronic transformer is designed. The power supply can provide four outputs, one is fixed output 36 V, the other fixed output 15 V, the third fixed output voltage 5 V, and the fourth output is adjustable voltage from a 0～30 V continuous adjustable,. the The circuit uses a BUCK type converter with a dual feedback control loop to ensure continuous adjustable output voltage and current. The main circuit of the converter using uses L4960 peripheral circuit, hence it is simple and the its price is cheap as the control chip. The sampling circuit and feedback control circuit are used resistance sampling method and differential amplifier, a comparator principle design of sampling circuit, a feedback control circuit. In order to further reduce the load adjustment rate and the output ripple, the design of the constant current discharge load and low pressure differential dynamic filter are adopted. Measured data show that the power factor of electronic transformer is more than 0.95, the efficiency reaches more than 80%, output voltage ripple is only 10 mV. It greatly reduces the volume and weight compared with traditional laboratory power supply, and also reduces the cost.

laboratory power supply; feedback; electronic transformer; filter

2015-07-13

西安科技大学实验室自研仪器设备项目(201410704025)

李红岩(1980-)，男，山东东阿人，高级工程师，现主要从事嵌入式技术、智能控制方向的研究。

Tel.:13310940531；E-mail: lihongyan@xust.edu.cn

TM 643

A

1006-7167(2016)05-0082-04